Virkningen af blanding på krystallisation

• Introduktion til krystallisering og nedbør
  
• Grundlæggende principper: Opløselighed og metastabil zonebredde
• Sådan måles krystalstørrelse
• Brug af anti-opløsningsmiddel til krystallisering

Ændring af skalaen eller blandingsforholdene i en krystallisator kan direkte påvirke kinetik af krystallisationsprocessen og den endelige krystalstørrelse. Varme- og masseoverførselseffekter er vigtige at overveje for henholdsvis køle- og anti-opløsningsmiddelsystemer, hvor temperatur- eller koncentrationsgradienter kan producere inhomogenitet i det fremherskende niveau af overmætning. Dette resulterer ofte i lommer med meget høj overmætning tæt på karets vægge for en afkølende krystallisation eller ved tilsætningsstedet for anti-opløsningsmidler (og også reaktive) krystallisationer.

Lommer med høj overmætning kan forårsage meget høje kimdannelses- og væksthastigheder i visse områder af en krystallisator i stor skala, hvilket betyder, at den endelige krystalstørrelsesfordeling kan variere dramatisk fra den, der opnås i et bedre blandet miljø i laboratoriet under udviklingen. Som det ses i grafen til højre, resulterer en ændring fra en 500 ml reaktor til en 2 L reaktor for den samme krystallisationsproces i uventede kimdannelsesbegivenheder karakteriseret ved ParticleTrack. Antallet af bøder, der genereres i hele batchen, er også betydeligt højere.

Effekten af lokal overmætningsopbygning på krystallisation er vist her, hvor repeterbarheden af kimdannelsespunktet for en ikke-sået krystallisation er vist for et anti-opløsningsmiddelkrystallisationssystem. For denne proces (til højre), når anti-opløsningsmiddel tilsættes over væskeoverfladen og nær reaktorens væg, især ved højere additionshastigheder, er kimdannelsespunktet ekstremt inkonsekvent, med brede fejlbjælker vist for disse eksperimenter, der blev udført i tre eksemplarer (D. O'Grady, M. Barrett, E. Casey og B. Glennon. (2007) Effekten af blanding på den metastabile zonebredde og kimdannelseskinetik i anti-opløsningsmiddelkrystallisation af benzoesyre. Kemiteknisk forskning og design, 85, 945 – 952). Derudover, når der tilsættes anti-opløsningsmiddel over overfladen og ved krystallisatorens væg, sker kimdannelse konsekvent hurtigere ved lavere anti-opløsningsmiddelkoncentrationer. Årsagen til disse to bekymrende resultater er, at når anti-opløsningsmiddel tilsættes tæt på væggen, gør blandingsforholdene i krystallisatoren det vanskeligt for anti-opløsningsmidlet let at blive inkorporeret, og der opbygges overmætning på foderstedet. 

Årsagen til denne dramatiske forskel i konsistens skyldes, hvordan anti-opløsningsmiddel er inkorporeret i beholderen. Denne video (til venstre) viser CFD-tracereksperimenter (Computational Fluid Dynamics) for begge additionsplaceringer vist ovenfor (center og væg). Når anti-opløsningsmiddel tilsættes over overfladen og tæt på væggen, er det vanskeligt effektivt at inkorporere væsken i bulkopløsningen. Når anti-opløsningsmiddel tilsættes tættere på pumpehjulet, sker inkorporering af anti-opløsningsmidlet straks. For dette krystallisationssystem forårsager denne forskel i inkorporering af anti-opløsningsmiddel - og den tilhørende forskel i homogeniteten af overmætning gennem karret - betydelige forskelle i kimdannelse og konsistens af krystallisationsprocessen.

Ud over masseoverførselseffekter kan forskydningshastigheden i en krystallisator have en fysisk indvirkning på krystallerne gennem brud. Krystalbrud er en funktion af koncentrationen af faste stoffer i systemet såvel som forskydningshastigheden. Efterhånden som skala- og blandingsforholdene ændrer sig, kan koncentration af faste stoffer og forskydningshastighedsgradienter blive vigtige, hvilket betyder, at der kan opstå mere eller mindre brud, når en krystallisationsproces skaleres op. I dette eksempel (til højre) er akkordlængdefordelingerne  erhvervet ved hjælp af FBRM-teknologi (ParticleTrack) til en kontinuerlig krystallisationsproces vist for tre forskellige omrøringsintensiteter (E. Kougoulos, AG Jones og MW Wood-Kaczmar (2005) Estimation of Crystallisation Kinetics for an Organic Fine Chemical Using a Modified Continuous Cooling Mixed Suspension Mixed Product Removal (MSMPR) Crystallizer, Journal of Crystal Growth, Bind 273, udgave 3 – 4, 3. januar 2005, side 520 – 528).  Efterhånden som omrøringen og den tilhørende forskydningshastighed stiger, forskydes fordelingerne til venstre med en stigning i antallet af fine krystaler, hvilket indikerer krystalbrud. Dette resultat er almindeligt.  En sådan adfærd er dog vanskelig at forudsige, da volumen ændres, da omrøringsintensitet ikke er en skalerbar parameter. 

Denne artikel diskuterer almindelige partikelstørrelsesanalyseteknikker, og hvordan de bruges til levering af partikler af høj kvalitet. Eksempler omfatter brugen af offline partikelstørrelsesanalysatorer i kombination med partikelkarakteriseringsværktøjer i processen til at optimere processer. 

Krystalliseringsenhedsoperationer giver den unikke mulighed for at målrette og kontrollere en optimeret krystalstørrelse og formfordeling for at:

• Reducer filtrerings- og tørretider
• Undgå problemer med opbevaring, transport og holdbarhed
• Sørg for en ensartet og gentagelig proces til lavere omkostninger